EP3990839B1 - Refroidisseur cryogénique pour détecteur de rayonnement notamment dans un engin spatial - Google Patents

Refroidisseur cryogénique pour détecteur de rayonnement notamment dans un engin spatial Download PDF

Info

Publication number
EP3990839B1
EP3990839B1 EP20747050.1A EP20747050A EP3990839B1 EP 3990839 B1 EP3990839 B1 EP 3990839B1 EP 20747050 A EP20747050 A EP 20747050A EP 3990839 B1 EP3990839 B1 EP 3990839B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat transfer
transfer fluid
fluid
cold
return valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP20747050.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3990839A1 (fr
Inventor
James Butterworth
Clément CHASSAING
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National dEtudes Spatiales CNES
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National dEtudes Spatiales CNES, Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Centre National dEtudes Spatiales CNES
Publication of EP3990839A1 publication Critical patent/EP3990839A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3990839B1 publication Critical patent/EP3990839B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle

Definitions

  • the invention relates to the technical field of cryogenic coolers called “cryocoolers”. More particularly, the invention relates to cryocoolers intended to cool radiation detectors or other organs requiring cooling in spacecraft such as for example in satellites or space probes.
  • Stirling or pulsed gas tube type cryogenic coolers are systems filled with gas, called “working gas”, under pressure at a determined value comprising a piston generating a pressure and flow wave in the gas.
  • the pressure and flow wave will be used to generate cold on a cold finger of the system.
  • the cryogenic cooler thus comprises a pressure and flow wave generator, for example a compressor, and a cold finger.
  • the pressure and flow wave generator transmits the pressure and flow wave in the cold finger, which makes it possible to generate cold down to a determined temperature of the order of -200°C or even lower, in a cold zone of the cold finger for cooling the member to be cooled, for example a satellite radiation detector.
  • a solution which consists in positioning each cold zone of each cooler in a closed thermal circuit called a thermal loop in which a heat transfer fluid is circulated between the cold zone and the component to be cooled.
  • a thermal loop in which a heat transfer fluid is circulated between the cold zone and the component to be cooled.
  • it is possible to selectively activate only one thermal loop so that the thermal loop in which the cold zone of the second cooler is positioned remains inactive and no heat input occurs.
  • Each of these thermal loops can comprise an element of the mechanical circulator type which is used to circulate the heat transfer fluid in the loop. Thus, by activating one of these circulators, the thermal loop which contains it is activated.
  • Another way of circulating the heat transfer fluid is to connect the loop to the output of the pressure and flow wave generator by a system of non-return valves so as to straighten the alternating pressure and flow wave in flow. continued.
  • the working gas of the cooler is of the same nature as the heat transfer fluid in the loop, ie the working gas and the heat transfer fluid are combined.
  • the working gas communicates fluidly with the heat transfer fluid. If a pressure and flow wave generator stops operating, the flow of heat transfer fluid in the loop stops and the associated cold zone is thermally insulated.
  • the "so-called hot extraction” extraction of the heat transfer fluid is carried out when the heat transfer fluid is hot from a transfer line connecting the pressure and flow wave generator and the cold zone, then this fluid
  • the coolant is brought into a “counter-current” heat exchanger, then passes through a heat exchanger thermally connected to the cold zone. Once the heat transfer fluid has cooled, it passes through an application exchanger and then rises in the counter-current exchanger to cool the working gas which descends from the transfer line towards the cold zone.
  • US6637211 describes an oscillating wave motor or refrigerator.
  • a heat transfer gas loop communicates fluidly with the working gas in the engine or refrigerator body.
  • At least one fluid diode in the coolant gas loop produces a continuous flow component superimposed on the oscillating flow emanating from the working gas.
  • the dimensions of the gas loop and the location of the fluidic diodes are chosen so as to make the gas loop resonant.
  • the extraction of the working gas to the coolant gas loop can be done near the hot exchanger (hot extraction) or near the cold exchanger (cold extraction) of the engine or the refrigerator.
  • a secondary heat transfer fluid is in thermal contact with an exterior part of the gas loop. According to US6637211 , resonant loops seem to be suitable only for very high frequency pulse tubes or very long loops.
  • WO2018/065458 A1 discloses a cooling device comprising a heat exchanger, a first flow loop connecting a cold sink and the heat exchanger, and a second flow loop connecting a hot sink and the heat exchanger.
  • a first passive one-way valve is disposed on the first flow loop and a second passive one-way valve is disposed on the second flow loop. The flow directions produce a counter flow in the heat exchanger.
  • the hot sink includes a cryogenic magnet coil, and the hot sink is a cold head and a liquid helium tank.
  • the object of the invention is to remedy all or part of the aforementioned drawbacks and in particular to allow a more advantageous extraction of the heat transfer fluid than that described above without the use of a counter-current exchanger and without the geometric and frequency constraints imposed by a resonant system.
  • part of the pressure and flow wave generated by the pressure and flow wave generator of the cooler is extracted at the level of the cold zone, which allows an extraction cold more advantageous than hot extraction.
  • this configuration makes it possible to combine both a thermal link and a thermal disconnection.
  • the configuration can also operate with a lower temperature of the order of 15K for example, which is hardly possible in the configurations of the prior art.
  • this configuration allows easy distribution of the cold power on the application heat exchanger, of the device to be cooled.
  • the heat transfer fluid exchanges directly with the application unlike the document US6637211 cited previously.
  • a heat transfer fluid circuit is used to thermally disconnect the cold finger from the application and thus limit the thermal load from a redundant cooler.
  • the first non-return valve and the second non-return valve are passive non-return valves.
  • bypassive non-return valve is understood to mean a non-return valve whose geometry is fixed and passive and configured to favor the circulation of a fluid in one direction without a moving element.
  • At least one of the two, preferably each non-return valve comprises one or more Tesla diodes in series.
  • Tesla diodes as described in US1329559 , are that they have asymmetrical impedances and therefore the fluid flows passing through are asymmetrical, which allows the fluid to pass, preferentially the gas, in one direction rather than the opposite direction.
  • the use of a Tesla diode is more reliable, particularly in its application in spacecraft and machines because, unlike mechanical valves, the latter do not pose any problems of reliability or failure due to wear of the parts.
  • the first non-return valve is a non-return valve configured to allow the passage of the heat transfer fluid during positive excursions of the pressure and flow wave in the cold zone.
  • the pressure and flow wave generator creates pressure oscillations at a determined frequency in the heat transfer fluid around an average pressure value. There are therefore successive positive and negative pressure excursions with respect to this average pressure.
  • the second non-return valve is a non-return valve configured to allow the passage of the heat transfer fluid during negative excursions of the pressure and flow wave in the cold zone.
  • the application heat exchanger comprises a plurality of inlets associated with a plurality of fluid outlets.
  • the application heat exchanger comprises at least a second fluid inlet, a second fluid outlet, a third fluid inlet and a third fluid outlet.
  • the cold zone comprises at least a first heat exchange zone in which the heat transfer fluid circulates.
  • the cold zone comprises a plurality of heat exchange zones.
  • the cold zone comprises a cold zone heat exchanger integrating the at least one first heat exchange zone of the cold zone.
  • the cold zone comprises a plurality of cold zone heat exchangers.
  • the outlet of the first non-return valve is fluidically connected to the first inlet of the application heat exchanger.
  • the first fluid outlet of the application heat exchanger is fluidically connected to the first heat exchange zone of the cold zone, the first fluid outlet being positioned upstream of the first heat exchange zone of the cold zone in the direction of circulation of the heat transfer fluid.
  • the second fluid inlet of the application heat exchanger is fluidically connected to the first heat exchange zone of the cold zone, the second fluid inlet being positioned downstream of the first heat exchange zone of the cold zone in the direction of circulation of the heat transfer fluid.
  • the second fluid outlet of the application heat exchanger is fluidically connected to the second heat exchange zone of the cold zone, the second fluid outlet being positioned upstream of the second heat exchange zone of the cold zone in the direction of circulation of the heat transfer fluid.
  • the third fluid inlet of the application heat exchanger is fluidically connected to the second heat exchange zone of the cold zone, the third fluid inlet being positioned downstream of the second heat exchange zone of the cold zone in the direction of circulation of the heat transfer fluid.
  • the third fluid outlet of the application heat exchanger is fluidly connected to the second non-return valve, the third fluid outlet of the exchanger being positioned upstream of the second non-return valve. return in the direction of circulation of the heat transfer fluid.
  • the first non-return valve and the second non-return valve are fluidically connected to the cold zone by a direct line.
  • the cooler comprises a plurality of application heat exchangers, for example three, each comprising at least one coolant fluid inlet and a coolant fluid outlet forming a heat exchange zone.
  • the advantage of allowing circulation of the heat transfer fluid in the heat exchange zones of the cold zone and in the application heat exchanger is that the cooling capacity will be optimized compared to a single pass through the heat exchanger. of application heat and in the cold zone.
  • the heat transport efficiency is multiplied by three.
  • the cold zone can comprise more or fewer heat exchange zones (number of exchange zones greater than or equal to 0) in order to optimize the heat exchange.
  • the application heat exchanger will generally have one more heat exchange area than the cold area.
  • the cooler comprises at least a first buffer tank positioned downstream of the first non-return valve in the direction of circulation of the heat transfer fluid, and configured to smooth the pressure and flow wave which has been straightened by the first non-return valve so as to cause a continuous flow of heat transfer fluid to pass through the circuit.
  • the cooler comprises at least a second buffer tank positioned upstream of the second non-return valve in the direction of circulation of the heat transfer fluid, and configured to smooth the pressure and flow wave which has been straightened by the second non-return valve before being reinjected into the cold zone.
  • the pressure of the heat transfer fluid in the first tank is greater than the pressure of the heat transfer fluid in the second buffer tank.
  • the thermal power transported between the cold zone and the application heat exchanger is equal to the mass flow rate of the heat transfer fluid flow multiplied by the specific heat of the heat transfer fluid multiplied by the difference in temperature between the cold zone and the heat exchanger.
  • part of the heat transfer fluid is injected into the first buffer tank.
  • the heat transfer fluid is sucked from the second buffer tank which creates a pressure difference between the two buffer tanks and this pressure difference which will cause the heat transfer fluid to circulate in the circuit.
  • the heat transfer fluid is a gas and preferably helium.
  • At least one of the two buffer tanks is constituted by a part of the heat transfer fluid circuit.
  • the buffer tank can be formed by locally increasing part of the heat transfer fluid circuit.
  • the cryogenic cooler is a cooler of the pulsed gas tube type or of the Stirling type.
  • the term "Stirling engine or cooler” means an external energy engine or cooler.
  • the main fluid is a gas subjected to a cycle comprising four phases: isochoric heating, isothermal expansion, isochoric cooling then isothermal compression.
  • the thermal link between the cold zone and the application heat exchanger can be longer than 0.5 meters and preferably between 1 and 3 meters.
  • the cooler comprises a plurality of application heat exchangers configured to exchange calories with a plurality of devices to be cooled.
  • the cold finger is in fluid communication with said heat transfer fluid circuit.
  • the cold finger is not in fluid communication with said heat transfer fluid circuit and the cooler comprises a small pressure and flow wave generator fluidly connected to the cold end of the heat transfer fluid circuit .
  • the cold finger is not in fluid communication with said heat transfer fluid circuit and the cooler comprises a direct T-shaped bypass fluidically connecting the pressure and flow wave generator and the cold finger.
  • the invention also relates to a spatial assembly comprising at least one radiation detector and a cryogenic cooler according to the invention, the application heat exchanger being configured to cool the radiation detector.
  • the radiation detector can be a detector of infrared radiation, X-ray, gamma ray, microwave radiation, or any other type of electromagnetic or particle radiation.
  • the cryogenic cooler 100 comprises, whatever the embodiment, a pressure and flow wave generator 110, a cold finger 120 comprising a cold zone 121, a circuit 130 of coolant fluid, at least one application heat exchanger 140, 241, 242, configured to exchange calories with a device to be cooled (not shown).
  • the device to be cooled can be an electromagnetic or particle radiation detector configured to be integrated into a satellite or a space probe.
  • the cryogenic cooler 100 comprises a first non-return valve 150 and a second non-return valve 151.
  • the first non-return valve 150 and the second non-return valve 151 are positioned on either side. other of the cold zone 121 in the circuit 130.
  • the first and second non-return valves are passive non-return valves, for example Tesla diodes.
  • the first non-return valve 150 and the second non-return valve 151 are fluidically connected to the cold zone 121 by a direct line 131.
  • the cold finger 120 comprises a cold zone 121 distal to the pressure wave generator 110 and a hot end 122 proximal to the pressure wave generator 110.
  • a pulse tube 123 is arranged around which is positioned a regenerator 124.
  • a transfer line 101 fluidically connects the pressure and flow wave generator 110 to the cold zone 120.
  • the cold zone 121 is positioned substantially between the regenerator 124 and the pulse tube 123.
  • the cold zone is therefore central.
  • the cold zone 121 comprises a first heat exchange zone 125 and a second heat exchange zone 126 in each of which the heat transfer fluid circulates.
  • the cold zone 121 comprises a cold zone heat exchanger integrating the first 125 and the second 126 heat exchange zone of the cold zone 121.
  • the cryogenic cooler 100 comprising a circuit 130 according to a first embodiment.
  • the heat transfer fluid circulates as follows. From a direct line 131 connecting the cold zone 121 with the first and the second non-return valve 150, 151, the fluid circulates towards the first non-return valve 150 which comprises a channel oriented in a preferential direction of circulation so that the fluid flows preferentially in this direction.
  • the fluid reaches a first buffer tank 152 configured to smooth the pressure of the fluid within the circuit 130.
  • the heat transfer fluid goes to a first fluid inlet 141 of the application heat exchanger 140 configured to exchange with the device to chill.
  • the fluid leaves the exchanger 140 through a first outlet 142 and goes to a second buffer tank 153 configured to again smooth the pressure of the fluid leaving the exchanger.
  • the fluid then passes through the second check valve 151, which is configured in the same flow direction as the first check valve 150.
  • the thermal conductance in operation is substantially 0.12W/K.
  • the cryogenic cooler 100 comprising a circuit 130 according to a second embodiment.
  • the heat transfer fluid circulates as follows. From the direct line 131 connecting the cold zone 121 with the first and the second non-return valve 150, 151, the fluid circulates towards the first non-return valve 150 which comprises a channel oriented in a preferential direction of circulation so that the fluid flows preferentially in this direction.
  • the fluid reaches a first buffer tank 152 configured to smooth the pressure of the fluid within the circuit 130.
  • the heat transfer fluid is directed towards the first fluid inlet 141 of the heat exchanger 140 configured to exchange with the device to be cooled.
  • the fluid leaves the exchanger 140 through a first outlet 142 and goes towards a first heat exchange zone 125 of the cold zone 121. Once the first exchange zone 125 has been crossed, the fluid goes again towards the exchanger 140 and enters through the second inlet 143 and comes out through the second outlet 144 and goes towards a second heat exchange zone 126 of the cold zone 121. Once the second heat exchange zone 126 crossing, the fluid goes again to the exchanger 140 and enters through the third inlet 145 and leaves through the third outlet 146 and goes to the second buffer tank 153 configured to smooth the pressure of the fluid leaving the exchanger 140. The fluid then passes through the second check valve 151, which is configured in the same flow direction as the first check valve 150.
  • the heat transfer fluid passes through the heat exchanger 140 three times, the thermal conductance in operation is thus increased up to 0.35W/K, with a cooler on/off thermal conductance ratio of at least 1750.
  • the coolant can pass six times or more through the heat exchanger 140.
  • the cryogenic cooler 100 according to the invention is shown comprising a circuit 130 according to a third embodiment.
  • the third embodiment differs from the embodiments illustrated in figure 1 , 2 , 4 And 5 in that it does not include a direct line 131 between the first and the second non-return valve 150, 151.
  • the heat transfer fluid circulates throughout the cold zone 121.
  • the heat transfer fluid flows from the direct line 131 to the first non-return valve 150.
  • the fluid reaches a first buffer tank 152 configured to smooth the fluid pressure within the circuit 130.
  • the heat transfer fluid goes towards a first fluid inlet 141 of the application heat exchanger 140 configured to exchange with a first device to be cooled.
  • the fluid leaves the exchanger 140 through a first outlet 142.
  • the heat transfer fluid then goes to a first fluid inlet 341 of a second application heat exchanger 241 configured to exchange with a second device to be cooled.
  • the fluid leaves the exchanger 241 through a first outlet 342.
  • the heat transfer fluid then goes to a first fluid inlet 441 of a third application heat exchanger 242 configured to exchange with a third device to be cooled.
  • the fluid leaves the exchanger 242 through a first outlet 442.
  • the heat transfer fluid finally goes to a second buffer tank 153 configured to again smooth the pressure of the fluid leaving the exchanger.
  • the fluid then passes through the second check valve 151, which is configured in the same flow direction as the first check valve 150.
  • the heat transfer fluid flows from the direct line 131 to the first non-return valve 150.
  • the fluid reaches a first buffer tank 152 configured to smooth the fluid pressure within the circuit 130.
  • the heat transfer fluid goes towards a first fluid inlet 141 of the application heat exchanger 140 configured to exchange with a first device to be cooled.
  • the fluid leaves the exchanger 140 through a first outlet 142 and goes towards a first heat exchange zone 125 of the cold zone 121. Once the first exchange zone 125 has been crossed, the fluid then goes towards a first fluid inlet 341 of a second application heat exchanger 241 configured to exchange with a second device to be cooled.
  • the fluid leaves the exchanger 241 through a first outlet 342 and goes towards a second heat exchange zone 126 of the cold zone 121. Once the second exchange zone 126 has been crossed, the fluid then goes towards a first fluid inlet 441 of a third application heat exchanger 242 configured to exchange with a third device to be cooled. The fluid exits the exchanger 242 through a first outlet 442. The heat transfer fluid finally goes to a second buffer tank 153 configured to again smooth the pressure of the fluid exiting the exchanger. The fluid then passes through the second check valve 151, which is configured in the same flow direction as the first check valve 150.
  • the cryogenic cooler 100 differs from that previously described in that the cold finger 120 is not in fluid communication with said heat transfer fluid circuit 130 and in that it comprises a small wave generator pressure and flow 110 fluidly connected to the cold end of the circuit 130 of heat transfer fluid.
  • the cryogenic cooler 100 differs from that previously described in that the cold finger 120 is not in fluid communication with said heat transfer fluid circuit 130 and in that it comprises a direct T branch 160 fluidly connecting the pressure and flow wave generator 110 and the cold finger 120.
  • a heating switch is activated as soon as the chiller is turned on.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Description

    Domaine technique de l'invention
  • L'invention concerne le domaine technique des refroidisseurs cryogéniques appelés « cryorefroidisseurs ». Plus particulièrement, l'invention porte sur les cryorefroidisseurs destinés à refroidir des détecteurs de rayonnement ou d'autres organes nécessitant un refroidissement dans les engins spatiaux comme par exemple dans les satellites ou les sondes spatiales.
    • Arrière plan technologique de l'invention
  • Les refroidisseurs cryogéniques de type Stirling ou tube à gaz pulsé sont des systèmes remplis de gaz, dit « gaz de travail », sous pression à une valeur déterminée comprenant un piston générant une onde de pression et de débit dans le gaz. L'onde de pression et de débit va être utilisée pour générer du froid sur un doigt froid du système.
  • Le refroidisseur cryogénique comprend ainsi un générateur d'onde de pression et de débit, par exemple un compresseur, et un doigt froid. Le générateur d'onde de pression et de débit transmet l'onde de pression et de débit dans le doigt froid ce qui permet de générer du froid jusqu'à une température déterminée de l'ordre de -200°C voire plus bas, dans une zone froide du doigt froid pour le refroidissement de l'organe à refroidir, par exemple un détecteur de rayonnement d'un satellite.
  • Dans le domaine spatial, il est très difficile d'intervenir pour corriger une panne. Ainsi, une façon sécurisante de régler cette problématique est l'implémentation de deux refroidisseurs cryogéniques dont un qui fonctionne et l'autre qui ne fonctionne qu'en cas de défaillance du premier. L'inconvénient majeur de cette approche est que même si le deuxième refroidisseur ne fonctionne pas tant que le premier fonctionne, il y a quand même de la conduction thermique dans son doigt froid car pour assurer le relai des refroidisseurs en cas de défaillance de l'un d'entre eux, il faut que leurs zones froides soient reliées thermiquement. Or, il faut évacuer tout ce qui relève de la conduction thermique dans le doigt froid du deuxième refroidisseur par le doigt froid du premier refroidisseur qui est lui, actif. Une solution peut être de découpler la zone froide du deuxième refroidisseur pour éviter les apports thermiques.
  • Pour découpler la zone froide du deuxième refroidisseur, on connaît une solution consistant à positionner chaque zone froide de chaque refroidisseur dans un circuit fermé thermique appelé boucle thermique dans laquelle on fait circuler un fluide caloporteur entre la zone froide et l'organe à refroidir. Dans cette configuration, il est possible d'activer sélectivement une boucle thermique seulement de sorte que la boucle thermique dans laquelle est positionné la zone froide du deuxième refroidisseur reste inactive et aucun apport de chaleur n'intervient. Chacune de ces boucles thermiques peut comporter un élément de type circulateur mécanique qui sert à faire circuler le fluide caloporteur dans la boucle. Ainsi, en activant un de ces circulateurs on active la boucle thermique qui le contient.
  • Une autre manière de faire circuler le fluide caloporteur est de relier la boucle à la sortie du générateur d'onde de pression et de débit par un système de clapets anti-retour de façon à redresser l'onde de pression et de débit alternative en écoulement continu. Dans cette configuration, le gaz de travail du refroidisseur est de même nature que le fluide caloporteur dans la boucle, c'est-à-dire que le gaz de travail et le fluide caloporteur sont confondus. Le gaz de travail communique fluidiquement avec le fluide caloporteur. Si un générateur d'onde de pression et de débit arrête de fonctionner, l'écoulement du fluide caloporteur dans la boucle s'arrête et la zone froide associée est isolée thermiquement. Dans cette configuration, l'extraction « dite extraction chaude » du fluide caloporteur est réalisée lorsque le fluide caloporteur est chaud à partir d'une ligne de transfert reliant le générateur d'onde de pression et de débit et la zone froide, puis ce fluide caloporteur est amené dans un échangeur de chaleur « contre-courant », puis passe dans un échangeur de chaleur relié thermiquement à la zone froide. Une fois que le fluide caloporteur est refroidi, ce dernier passe dans un échangeur d'application et ensuite remonte dans l'échangeur contre-courant pour refroidir le gaz de travail qui redescend de la ligne de transfert vers la zone froide. Cette configuration permet d'éviter d'envoyer du gaz très chaud directement dans la partie froide mais nécessite l'utilisation d'un échangeur contre-courant, ce qui peut présenter les inconvénients suivants : fortes pertes de charge dans l'échangeur de chaleur à contre-courant, fortes pertes par rayonnement dues à l'échangeur de chaleur et circuit fluidique complexe reliant la zone froide. CN100557345C décrit un système qui fonctionne selon ce principe mais dont le but est l'optimisation du transfert de chaleur vers la zone froide et non l'isolation thermique d'un refroidisseur cryogénique redondant.
  • US6637211 décrit un moteur ou réfrigérateur à onde oscillante. Une boucle de gaz caloporteur communique fluidiquement avec le gaz de travail dans le corps du moteur ou du réfrigérateur. Au moins une diode fluidique dans la boucle de gaz caloporteur produit un composant à flux continu superposé sur le flux oscillant émanant du gaz de travail. En général, les dimensions de la boucle de gaz et la localisation des diodes fluidiques sont choisies de façon à rendre la boucle de gaz résonante. L'extraction du gaz de travail vers la boucle de gaz caloporteur peut se faire à proximité de l'échangeur chaud (extraction à chaud) ou à proximité de l'échangeur froid (extraction à froid) du moteur ou du réfrigérateur. Un fluide caloporteur secondaire est en contact thermique avec une partie extérieure de la boucle de gaz. D'après US6637211 , les boucles résonantes semblent être adaptées uniquement à des tubes à impulsions à très haute fréquence ou à des boucles très longues. En outre, la boucle de gaz échange avec un fluide caloporteur secondaire pour le transfert de chaleur vers ou à partir de la boucle de gaz. La boucle de gaz, telle que décrite, est conçue pour augmenter la capacité d'échange de chaleur dans des moteurs ou des réfrigérateurs de forte puissance et ne représente pas un moyen d'isolation thermique d'un doigt froid redondant. WO2018/065458 A1 divulgue un dispositif de refroidissement comprenant un échangeur de chaleur, une première boucle d'écoulement raccordant un dissipateur froid et l'échangeur de chaleur, et une seconde boucle d'écoulement raccordant un dissipateur chaud et l'échangeur de chaleur. Une première vanne unidirectionnelle passive est disposée sur la première boucle d'écoulement et une seconde vanne unidirectionnelle passive est disposée sur la seconde boucle d'écoulement. Les directions d'écoulement produisent un contre-écoulement dans l'échangeur de chaleur. Le dissipateur chaud comprend une bobine d'aimant cryogénique et le dissipateur chaud est une tête froide et un réservoir d'hélium liquide.
    • Objet de l'invention
  • L'invention a pour but de remédier à tout ou partie des inconvénients précités et notamment à permettre une extraction du fluide caloporteur plus avantageuse que celle décrite ci-avant sans utilisation d'un échangeur contre-courant et sans les contraintes géométriques et fréquentielles imposées par un système résonant.
  • À cet effet, l'invention a pour objet un refroidisseur cryogénique comprenant :
    • au moins un générateur d'onde de pression et de débit,
    • au moins un doigt froid comprenant une zone froide, le générateur d'onde de pression et de débit étant relié fluidiquement au doigt froid,
    • au moins un circuit de fluide caloporteur,
    • au moins un échangeur de chaleur d'application configuré pour échanger des calories avec au moins un dispositif à refroidir,
    caractérisé en ce que le refroidisseur comprend au moins :
    • un premier clapet anti-retour et un deuxième clapet anti-retour positionnés dans le circuit, au moins un clapet anti-retour parmi le premier et le deuxième clapet anti-retour étant un clapet anti-retour passif, le premier clapet anti-retour et le deuxième clapet anti-retour étant reliés fluidiquement au doigt froid,
    • le au moins un échangeur de chaleur d'application comprenant au moins une première entrée de fluide positionnée en aval du premier clapet anti-retour dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et au moins une première sortie de fluide positionnée en amont du deuxième clapet anti-retour dans le sens de circulation du fluide caloporteur.
  • Avantageusement, grâce à cette configuration selon l'invention, une partie de l'onde de pression et de débit générée par le générateur d'onde de pression et de débit du refroidisseur est extraite au niveau de la zone froide, ce qui permet une extraction à froid plus avantageuse qu'une extraction à chaud. Par ailleurs, cette configuration permet de combiner à la fois un lien thermique et une déconnexion thermique. En outre, la configuration peut aussi fonctionner avec une température plus basse de l'ordre de 15K par exemple, ce qui est difficilement possible dans les configurations de l'art antérieur. Enfin, cette configuration permet une répartition facile de la puissance froide sur l'échangeur de chaleur d'application, du dispositif à refroidir.
  • Avantageusement, le fluide caloporteur échange directement avec l'application contrairement au document US6637211 cité précédemment.
  • En outre, grâce à l'invention, on utilise un circuit de fluide caloporteur pour déconnecter thermiquement le doigt froid de l'application et ainsi limiter la charge thermique provenant d'un refroidisseur redondant.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le premier clapet anti-retour et le deuxième clapet anti-retour sont des clapets anti-retour passifs.
  • Dans la présente invention, on entend par « clapet anti-retour passif » un clapet anti-retour dont la géométrie est figée et passive et configurée pour favoriser la circulation d'un fluide dans une direction sans élément mobile.
  • Selon une caractéristique de l'invention, au moins un des deux, préférentiellement chaque clapet anti-retour, comprend une ou plusieurs diodes Tesla en série.
  • L'avantage des diodes Tesla, telles que décrites dans US1329559 , est qu'elles présentent des impédances asymétriques et de ce fait les écoulements de fluide passant à travers sont asymétriques ce qui permet de faire passer le fluide, préférentiellement le gaz, dans un sens plutôt que le sens inverse. En outre, l'utilisation d'une diode Tesla est plus fiable notamment dans son application dans les engins et machines spatiales car contrairement à des clapets mécaniques ces dernières ne posent pas de problèmes de fiabilité ni de défaillance dus à l'usure des pièces.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le premier clapet anti-retour est un clapet anti-retour configuré pour permettre le passage du fluide caloporteur pendant des excursions positives de l'onde de pression et de débit dans la zone froide.
  • Le générateur d'onde de pression et de débit crée des oscillations de pression à une fréquence déterminée dans le fluide caloporteur autour d'une valeur de pression moyenne. Il y a donc des excursions successives de pression positives et négatives par rapport à cette pression moyenne.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le deuxième clapet anti-retour est un clapet anti-retour configuré pour permettre le passage du fluide caloporteur pendant des excursions négatives de l'onde de pression et de débit dans la zone froide.
  • Selon une caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur d'application comprend une pluralité d'entrées associée à une pluralité de sorties de fluide.
  • Selon une caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur d'application comprend au moins une deuxième entrée de fluide, une deuxième sortie de fluide, une troisième entrée de fluide et une troisième sortie de fluide.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la zone froide comprend au moins une première zone d'échange thermique dans laquelle circule le fluide caloporteur.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la zone froide comprend une pluralité de zone d'échange thermique.
  • Avantageusement, la zone froide comprend un échangeur de chaleur zone froide intégrant l'au moins une première zone d'échange thermique de la zone froide.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la zone froide comprend une pluralité d'échangeur de chaleur zone froide.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la sortie du premier clapet anti-retour est reliée fluidiquement à la première entrée de l'échangeur de chaleur d'application.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la première sortie de fluide de l'échangeur de chaleur d'application est reliée fluidiquement à la première zone d'échange thermique de la zone froide, la première sortie de fluide étant positionnée en amont de la première zone d'échange thermique de la zone froide dans le sens de circulation du fluide caloporteur.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la deuxième entrée de fluide de l'échangeur de chaleur d'application est reliée fluidiquement à la première zone d'échange thermique de la zone froide, la deuxième entrée de fluide étant positionnée en aval de la première zone d'échange thermique de la zone froide dans le sens de circulation du fluide caloporteur.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la deuxième sortie de fluide de l'échangeur de chaleur d'application est reliée fluidiquement à la deuxième zone d'échange thermique de la zone froide, la deuxième sortie de fluide étant positionnée en amont de la deuxième zone d'échange thermique de la zone froide dans le sens de circulation du fluide caloporteur.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la troisième entrée de fluide de l'échangeur de chaleur d'application est reliée fluidiquement à la deuxième zone d'échange thermique de la zone froide, la troisième entrée de fluide étant positionnée en aval de la deuxième zone d'échange thermique de la zone froide dans le sens de circulation du fluide caloporteur.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la troisième sortie de fluide de l'échangeur de chaleur d'application est reliée fluidiquement au deuxième clapet anti-retour, la troisième sortie de fluide de l'échangeur étant positionnée en amont du deuxième clapet anti-retour dans le sens de circulation du fluide caloporteur.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le premier clapet anti-retour et le deuxième clapet anti-retour sont reliés fluidiquement à la zone froide par une ligne directe.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le refroidisseur comprend une pluralité d'échangeurs de chaleur d'application, par exemple trois, comprenant chacun au moins une entrée de fluide caloporteur et une sortie de fluide caloporteur formant une zone d'échange thermique.
  • L'avantage de permettre la circulation du fluide caloporteur dans les zones d'échange thermique de la zone froide et dans l'échangeur de chaleur d'application, est que la capacité de refroidissement sera optimisée par rapport à un seul passage dans l'échangeur de chaleur d'application et dans la zone froide. Ainsi, avec un même débit de fluide caloporteur, l'efficacité de transport thermique est multipliée par trois.
  • En d'autres termes, la zone froide peut comporter plus ou moins de zones d'échange thermique (nombre de zones d'échange supérieur ou égal à 0) afin d'optimiser l'échange thermique. L'échangeur de chaleur d'application compotera généralement une zone d'échange thermique de plus que la zone froide.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le refroidisseur comprend au moins un premier réservoir tampon positionné en aval du premier clapet anti-retour dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et configuré pour lisser l'onde de pression et de débit qui a été redressée par le premier clapet anti-retour de manière à faire passer un écoulement continu de fluide caloporteur dans le circuit.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le refroidisseur comprend au moins un deuxième réservoir tampon positionné en amont du deuxième clapet anti-retour dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et configuré pour lisser l'onde de pression et de débit qui a été redressée par le deuxième clapet anti-retour avant d'être réinjectée dans la zone froide.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la pression du fluide caloporteur dans le premier réservoir est supérieure à la pression du fluide caloporteur dans le deuxième réservoir tampon.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la puissance thermique transportée entre la zone froide et l'échangeur de chaleur d'application est égale au débit massique de l'écoulement de fluide caloporteur multiplié par la chaleur spécifique du fluide caloporteur multiplié par la différence de température entre la zone froide et l'échangeur de chaleur. Avantageusement, lorsque la pression dans la zone froide augmente, une partie du fluide caloporteur est injectée dans le premier réservoir tampon. Lorsque la pression dans la zone froide diminue, le fluide caloporteur est aspiré du deuxième réservoir tampon ce qui crée une différence de pression entre les deux réservoirs tampons et cette différence de pression qui va faire circuler le fluide caloporteur dans le circuit.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le fluide caloporteur est un gaz et préférentiellement de l'Hélium.
  • Selon une caractéristique de l'invention, au moins un des deux réservoirs tampons est constitué par une partie du circuit de fluide caloporteur.
  • En effet, le réservoir tampon peut être constitué en augmentant localement une partie du circuit de fluide caloporteur.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le refroidisseur cryogénique est un refroidisseur de type tube à gaz pulsé ou de type Stirling.
  • Dans la présente invention, on entend par « moteur ou refroidisseur Stirling », un moteur ou un refroidisseur à énergie externe. Le fluide principal est un gaz soumis à un cycle comprenant quatre phases : chauffage isochore, détente isotherme, refroidissement isochore puis compression isotherme.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le lien thermique entre la zone froide et l'échangeur de chaleur d'application peut être d'une longueur supérieure à 0,5 mètre et préférentiellement comprise entre 1 et 3 mètres.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le refroidisseur comprend une pluralité d'échangeurs de chaleur d'application configurés pour échanger des calories avec une pluralité de dispositif à refroidir.
  • Selon un mode de réalisation, le doigt froid est en communication fluidique avec ledit circuit de fluide caloporteur.
  • Selon un autre mode de réalisation, le doigt froid n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit de fluide caloporteur et le refroidisseur comporte un petit générateur d'onde de pression et de débit fluidiquement connecté à l'extrémité froide du circuit de fluide caloporteur.
  • Selon un autre mode de réalisation, le doigt froid n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit de fluide caloporteur et le refroidisseur comporte une dérivation directe en T reliant fluidiquement générateur d'onde de pression et de débit et le doigt froid.
  • L'invention porte également sur un ensemble spatial comprenant au moins un détecteur de rayonnement et un refroidisseur cryogénique selon l'invention, l'échangeur de chaleur d'application étant configuré pour refroidir le détecteur de rayonnement.
  • Le détecteur de rayonnement peut être un détecteur de rayonnement infrarouge, de rayon X, de rayon gamma, de rayonnement hyper-fréquence, ou tout autre type de rayonnement électromagnétique ou corpusculaire.
    • Brève description des figures
  • L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation selon la présente invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et expliqués avec référence aux figures schématiques annexées. Les figures schématiques annexées sont listées ci-dessous :
    • [Fig. 1] est une vue schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un premier mode de réalisation ;
    • [Fig. 2] est une vue schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un deuxième mode de réalisation ;
    • [Fig. 3] est une vue schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un troisième mode de réalisation ;
    • [Fig. 4] est une vue schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un quatrième mode de réalisation ;
    • [Fig. 5] est une vue schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un cinquième mode de réalisation ;
    • [Fig. 6] est une vue représentation schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un sixième mode de réalisation ;
    • [Fig. 7] est une représentation schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un septième mode de réalisation.
    Description détaillée de l'invention
  • Le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention et comme illustré aux figures 1 à 5, comprend quel que soit le mode de réalisation, un générateur d'onde de pression et de débit 110, un doigt froid 120 comprenant une zone froide 121, un circuit 130 de fluide caloporteur, au moins un échangeur de chaleur d'application 140, 241, 242, configuré pour échanger des calories avec un dispositif à refroidir (non représenté). Avantageusement, le dispositif à refroidir peut être un détecteur de rayonnement électromagnétique ou corpusculaire configuré pour être intégré à un satellite ou à une sonde spatiale.
  • Quel que soit le mode de réalisation, le refroidisseur cryogénique 100 comprend un premier clapet anti-retour 150 et un deuxième clapet anti-retour 151. Le premier clapet anti-retour 150 et le deuxième clapet anti-retour 151 sont positionnés de part et d'autre de la zone froide 121 dans le circuit 130.
  • Dans les exemples illustrés et quel que soit le mode de réalisation du circuit du refroidisseur 100, les premier et deuxième clapets anti-retour sont des clapets anti-retour passifs, par exemple des diodes Tesla. Le premier clapet anti-retour 150 et le deuxième clapet anti-retour 151 sont reliés fluidiquement à la zone froide 121 par une ligne directe 131.
  • Dans les modes de réalisation représentés aux figures 1, 2, 4 et 5, le doigt froid 120 comprend une zone froide 121 distale du générateur d'ondes de pression 110 et une extrémité chaude 122 proximale du générateur d'ondes de pression 110. Dans le corps du doigt froid 120, est agencé un tube à pulsation 123 autour duquel est positionné un régénérateur 124.
  • En outre, une ligne de transfert 101 relie fluidiquement le générateur d'onde de pression et de débit 110 à la zone froide 120.
  • Dans le mode de réalisation représenté en figure 3, la zone froide 121 est positionnée sensiblement entre le régénérateur 124 et le tube à pulsation 123. La zone froide est donc centrale.
  • Selon le deuxième et le cinquième modes de réalisation, la zone froide 121 comprend une première zone d'échange thermique 125 et une deuxième zone d'échange thermique 126 dans chacune desquelles circule le fluide caloporteur.
  • Avantageusement, la zone froide 121 comprend un échangeur de chaleur zone froide intégrant la première 125 et la deuxième 126 zone d'échange thermique de la zone froide 121.
  • En figure 1 est représenté le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention comprenant un circuit 130 selon un premier mode de réalisation. Dans ce premier mode de réalisation, le fluide caloporteur circule comme suit. Depuis une ligne directe 131 reliant la zone froide 121 avec le premier et le deuxième clapet anti-retour 150, 151, le fluide circule vers le premier clapet anti-retour 150 qui comprend un canal orienté dans une direction préférentielle de circulation de sorte que le fluide circule préférentiellement dans cette direction. Le fluide atteint un premier réservoir tampon 152 configuré pour lisser la pression du fluide au sein du circuit 130. Le fluide caloporteur se dirige vers une première entrée de fluide 141 de l'échangeur de chaleur d'application 140 configuré pour échanger avec le dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 140 par une première sortie 142 et se dirige vers un deuxième réservoir tampon 153 configuré pour à nouveau lisser la pression du fluide sortant de l'échangeur. Le fluide passe ensuite à travers le deuxième clapet anti-retour 151, qui est configuré dans le même sens de circulation que le premier clapet anti-retour 150.
  • Dans cette configuration, la conductance thermique en fonctionnement est de sensiblement 0.12W/K.
  • En figure 2 est représenté le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention comprenant un circuit 130 selon un deuxième mode de réalisation. Dans ce deuxième mode de réalisation, le fluide caloporteur circule comme suit. Depuis la ligne directe 131 reliant la zone froide 121 avec le premier et le deuxième clapet anti-retour 150, 151, le fluide circule vers le premier clapet anti-retour 150 qui comprend un canal orienté dans une direction préférentielle de circulation de sorte que le fluide circule préférentiellement dans cette direction. Le fluide atteint un premier réservoir tampon 152 configuré pour lisser la pression du fluide au sein du circuit 130. Le fluide caloporteur se dirige vers la première entrée de fluide 141 de l'échangeur de chaleur 140 configuré pour échanger avec le dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 140 par une première sortie 142 et se dirige vers une première zone d'échange thermique 125 de la zone froide 121. Une fois la première zone d'échange 125 traversée, le fluide se dirige à nouveau vers l'échangeur 140 et rentre par la deuxième entrée 143 et en ressort par la deuxième sortie 144 et se dirige vers une deuxième zone d'échange thermique 126 de la zone froide 121. Une fois la deuxième zone d'échange 126 traversée, le fluide se dirige à nouveau vers l'échangeur 140 et rentre par la troisième entrée 145 et en ressort par la troisième sortie 146 et se dirige vers le deuxième réservoir tampon 153 configuré pour lisser la pression du fluide sortant de l'échangeur 140. Le fluide passe ensuite à travers le deuxième clapet anti-retour 151, qui est configuré dans le même sens de circulation que le premier clapet anti-retour 150.
  • Dans cette configuration, le fluide caloporteur passe trois fois dans l'échangeur de chaleur 140, la conductance thermique en fonctionnement est ainsi augmentée jusqu'à 0,35W/K, avec un ratio de conductance thermique marche/arrêt du refroidisseur d'au moins 1750.
  • En variante et afin d'améliorer la performance du refroidisseur, le fluide caloporteur peut passer six fois ou plus dans l'échangeur de chaleur 140. La conductance thermique évoluant linéairement, on peut s'attendre à une conductance thermique en fonctionnement de l'ordre de 0,72W/K avec un ratio de conductance thermique marche/arrêt du refroidisseur de 1800.
  • En figure 3 est représenté le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention comprenant un circuit 130 selon un troisième mode de réalisation. Le troisième mode de réalisation se distingue des modes de réalisation illustrés aux figures 1, 2, 4 et 5 en ce qu'il ne comprend pas de ligne directe 131 entre le premier et le deuxième clapet anti-retour 150, 151. Le fluide caloporteur circule dans l'ensemble de la zone froide 121.
  • Dans le quatrième mode de réalisation, le fluide caloporteur circule depuis la ligne directe 131 vers le premier clapet anti-retour 150. Le fluide atteint un premier réservoir tampon 152 configuré pour lisser la pression du fluide au sein du circuit 130. Puis le fluide caloporteur se dirige vers une première entrée de fluide 141 de l'échangeur de chaleur d'application 140 configuré pour échanger avec un premier dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 140 par une première sortie 142. Le fluide caloporteur se dirige alors vers une première entrée de fluide 341 d'un deuxième échangeur de chaleur d'application 241 configuré pour échanger avec un deuxième dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 241 par une première sortie 342. Le fluide caloporteur se dirige alors vers une première entrée de fluide 441 d'un troisième échangeur de chaleur d'application 242 configuré pour échanger avec un troisième dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 242 par une première sortie 442. Le fluide caloporteur se dirige vers enfin un deuxième réservoir tampon 153 configuré pour à nouveau lisser la pression du fluide sortant de l'échangeur. Le fluide passe ensuite à travers le deuxième clapet anti-retour 151, qui est configuré dans le même sens de circulation que le premier clapet anti-retour 150.
  • Dans le cinquième mode de réalisation, le fluide caloporteur circule depuis la ligne directe 131 vers le premier clapet anti-retour 150. Le fluide atteint un premier réservoir tampon 152 configuré pour lisser la pression du fluide au sein du circuit 130. Puis le fluide caloporteur se dirige vers une première entrée de fluide 141 de l'échangeur de chaleur d'application 140 configuré pour échanger avec un premier dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 140 par une première sortie 142 et se dirige vers une première zone d'échange thermique 125 de la zone froide 121. Une fois la première zone d'échange 125 traversée, le fluide se dirige alors vers une première entrée de fluide 341 d'un deuxième échangeur de chaleur d'application 241 configuré pour échanger avec un deuxième dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 241 par une première sortie 342 et se dirige vers une deuxième zone d'échange thermique 126 de la zone froide 121. Une fois la deuxième zone d'échange 126 traversée, le fluide se dirige alors vers une première entrée de fluide 441 d'un troisième échangeur de chaleur d'application 242 configuré pour échanger avec un troisième dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 242 par une première sortie 442. Le fluide caloporteur se dirige vers enfin un deuxième réservoir tampon 153 configuré pour à nouveau lisser la pression du fluide sortant de l'échangeur. Le fluide passe ensuite à travers le deuxième clapet anti-retour 151, qui est configuré dans le même sens de circulation que le premier clapet anti-retour 150.
  • Selon un sixième mode de réalisation, schématiquement représenté sur la figure 6, le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention se distingue de celui précédemment décrit par le fait que le doigt froid 120 n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit 130 de fluide caloporteur et en ce qu'il comporte un petit générateur d'onde de pression et de débit 110 fluidiquement connecté à l'extrémité froide du circuit 130 de fluide caloporteur.
  • Selon un septième mode de réalisation, schématiquement représenté sur la figure 7, le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention se distingue de celui précédemment décrit par le fait que le doigt froid 120 n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit 130 de fluide caloporteur et en ce qu'il comporte une dérivation directe en T 160 reliant fluidiquement générateur d'onde de pression et de débit 110 et le doigt froid 120. Un interrupteur de chauffage est activé dès que le refroidisseur est mis en marche.
  • On notera que cette intégration est celle qui a le moins d'impact sur le refroidisseur.

Claims (16)

  1. Refroidisseur cryogénique (100) comprenant :
    - au moins un générateur d'onde de pression et de débit (110),
    - au moins un doigt froid (120) comprenant une zone froide (121), le générateur d'onde de pression et de débit (110) étant relié fluidiquement au doigt froid (120),
    - au moins un circuit (130) de fluide caloporteur,
    - au moins un échangeur de chaleur d'application (140) configuré pour échanger des calories avec au moins un dispositif à refroidir,
    caractérisé en ce que le refroidisseur (100) comprend au moins :
    - un premier clapet anti-retour (150) et un deuxième clapet anti-retour (151) positionnés dans le circuit (130), au moins un clapet anti-retour (150, 151) parmi le premier et le deuxième clapet anti-retour (150, 151) étant un clapet anti-retour passif, le premier clapet anti-retour (150) et le deuxième clapet anti-retour (151) étant reliés fluidiquement au doigt froid (120),
    - le au moins un échangeur de chaleur d'application (140) comprenant au moins une première entrée de fluide (141) positionnée en aval du premier clapet anti-retour (150) dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et au moins une première sortie de fluide (142) positionnée en amont du deuxième clapet anti-retour (151) dans le sens de circulation du fluide caloporteur.
  2. Refroidisseur cryogénique selon la revendication 1, dans lequel au moins un des deux, préférentiellement chaque clapet anti-retour (150, 151), comprend une ou plusieurs diodes Tesla en série.
  3. Refroidisseur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l'échangeur de chaleur d'application (140) comprend une pluralité d'entrées (141, 143, 145) associée à une pluralité de sorties (142, 144, 146) de fluide.
  4. Refroidisseur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la zone froide (121) comprend au moins une première zone d'échange thermique (125) dans laquelle circule le fluide caloporteur.
  5. Refroidisseur cryogénique selon les revendications 3 et 4 prises en combinaison, dans lequel la première sortie (142) de fluide de l'échangeur de chaleur d'application (140) est reliée fluidiquement à la première zone d'échange thermique (125) de la zone froide (121), la première sortie (142) de fluide étant positionnée en amont de la première zone d'échange thermique (125) de la zone froide (121) dans le sens de circulation du fluide caloporteur.
  6. Refroidisseur cryogénique selon les revendications 3 et 4 prises en combinaison ou selon la revendication 5, dans lequel la deuxième entrée de fluide (143) de l'échangeur de chaleur d'application (140) est reliée fluidiquement à la première zone d'échange thermique (125) de la zone froide (121), la deuxième entrée (143) de fluide étant positionnée en aval de la première zone d'échange thermique (125) de l'extrémité (121) de la zone froide (121) dans le sens de circulation du fluide caloporteur.
  7. Refroidisseur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une pluralité d'échangeurs de chaleur d'application comprenant chacun au moins une entrée de fluide caloporteur (141, 143, 145) et une sortie de fluide caloporteur (142, 144, 146) formant une zone d'échange thermique.
  8. Refroidisseur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins un premier réservoir tampon (152) positionné en aval du premier clapet anti-retour (150) dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et configuré pour lisser l'onde de pression et de débit extraite au niveau de la zone froide (121).
  9. Refroidisseur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant au moins un deuxième réservoir tampon (153) positionné en amont du deuxième clapet anti-retour (151) dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et configuré pour lisser l'onde de pression et de débit arrivant au niveau de la zone froide (121).
  10. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel au moins un des deux réservoirs tampons est constitué par une partie du circuit de fluide caloporteur.
  11. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit refroidisseur (100) est un refroidisseur de type tube à gaz pulsé ou de type Stirling.
  12. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le doigt froid (120) est en communication fluidique avec ledit circuit de fluide caloporteur (130).
  13. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le doigt froid (120) n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit (130) de fluide caloporteur et en ce qu'il comporte un petit générateur d'onde de pression et de débit (110) fluidiquement connecté à l'extrémité froide du circuit (130) de fluide caloporteur.
  14. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le doigt froid (120) n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit (130) de fluide caloporteur et en ce qu'il comporte une dérivation directe en T (160) reliant fluidiquement générateur d'onde de pression et de débit (110) et le doigt froid (120).
  15. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité d'échangeurs de chaleur d'application configurés pour échanger des calories avec une pluralité de dispositif à refroidir.
  16. Ensemble spatial comprenant au moins un détecteur de rayonnement et un refroidisseur cryogénique (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'échangeur de chaleur d'application (140) du refroidisseur étant configuré pour refroidir le détecteur de rayonnement.
EP20747050.1A 2019-06-26 2020-06-26 Refroidisseur cryogénique pour détecteur de rayonnement notamment dans un engin spatial Active EP3990839B1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1906948A FR3097948B1 (fr) 2019-06-26 2019-06-26 Refroidisseur cryogénique pour détecteur de rayonnement notamment dans un engin spatial
PCT/FR2020/051123 WO2020260842A1 (fr) 2019-06-26 2020-06-26 Refroidisseur cryogénique pour détecteur de rayonnement notamment dans un engin spatial

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP3990839A1 EP3990839A1 (fr) 2022-05-04
EP3990839B1 true EP3990839B1 (fr) 2023-07-12

Family

ID=68581905

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20747050.1A Active EP3990839B1 (fr) 2019-06-26 2020-06-26 Refroidisseur cryogénique pour détecteur de rayonnement notamment dans un engin spatial

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11976873B2 (fr)
EP (1) EP3990839B1 (fr)
JP (1) JP2022538133A (fr)
FR (1) FR3097948B1 (fr)
WO (1) WO2020260842A1 (fr)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1329559A (en) 1916-02-21 1920-02-03 Tesla Nikola Valvular conduit
US6637211B1 (en) 2002-08-13 2003-10-28 The Regents Of The University Of California Circulating heat exchangers for oscillating wave engines and refrigerators
CN100557345C (zh) 2006-05-16 2009-11-04 中国科学院理化技术研究所 一种压力波驱动的非共振型直流换热器
WO2011132231A1 (fr) * 2010-04-23 2011-10-27 住友重機械工業株式会社 Système de refroidissement et procédé de refroidissement
JP2012255734A (ja) 2011-06-10 2012-12-27 Shimadzu Corp スターリング冷凍機冷却式検出器
WO2015071795A1 (fr) * 2013-11-13 2015-05-21 Koninklijke Philips N.V. Système d'aimant supraconducteur comprenant un système anti-panne thermiquement efficace et procédé de refroidissement de système d'aimant supraconducteur
EP3523582B1 (fr) * 2016-10-06 2022-05-18 Koninklijke Philips N.V. Sollicitation de direction d'écoulement passif de thermosiphon cryogénique

Also Published As

Publication number Publication date
US11976873B2 (en) 2024-05-07
FR3097948A1 (fr) 2021-01-01
US20220412637A1 (en) 2022-12-29
WO2020260842A1 (fr) 2020-12-30
JP2022538133A (ja) 2022-08-31
EP3990839A1 (fr) 2022-05-04
FR3097948B1 (fr) 2021-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2226248B1 (fr) Dispositif de contrôle thermique pour un engin spatial
US5598718A (en) Refrigeration system and method utilizing combined economizer and engine coolant heat exchanger
JPH02238256A (ja) 冷凍装置及びその作動方法
US20190309996A1 (en) Autogenous Cooling Method for In Space Storage and Transfer of Cryogenic Rocket Propellants
KR20110059889A (ko) 인터쿨러 및 애프터쿨러의 냉간 연료 냉각
EP3465050B1 (fr) Procédé et dispositif de refroidissement d'au moins une charge chaude à bord d'un véhicule tel qu'un aéronef à boucle fluide partiellement réversible
US10030919B2 (en) Cooling apparatus for superconductor
FR3037639A1 (fr) Dispositif de gestion thermique
FR3028016A1 (fr) Dispositif de gestion thermique de vehicule automobile
FR3092651A1 (fr) Dispositif de gestion thermique de véhicule automobile électrique ou hybride
EP3990839B1 (fr) Refroidisseur cryogénique pour détecteur de rayonnement notamment dans un engin spatial
EP2936006B1 (fr) Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction et procédé correspondant
Chen et al. RELIABILITY TEST OF A 1‐kW PULSE TUBE CRYOCOOLER FOR HTS CABLE APPLICATION
US8960135B2 (en) Ejector coolant pump for internal combustion engine
FR3036744A1 (fr) Systeme de gestion thermique d'air d'admission d'un moteur thermique suralimente
FR3014544A1 (fr) Procede de refrigeration, boite froide et installation cryogenique correspondantes
WO2021116564A1 (fr) Dispositif de gestion thermique inversible
EP4025845B1 (fr) Machine cryogénique régénérative
JPH09113052A (ja) 冷凍装置
FR3101282A1 (fr) Dispositif de gestion thermique d’un véhicule automobile électrique ou hybride comportant un circuit de fluide caloporteur
WO2020165513A1 (fr) Dispositif de gestion thermique de véhicule automobile électrique ou hybride
FR3082455A1 (fr) Systeme de traitement thermique pour vehicule
EP3163221B1 (fr) Procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogenique
EP1748191B1 (fr) Unité de compression et installation thermique comprenant une telle unité
FR2967760A1 (fr) Boucle de climatisation munie d'electrovannes et fonctionnant comme pompe a chaleur

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20220120

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20221213

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

RAP3 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: CENTRE NATIONAL D'ETUDES SPATIALES

Owner name: L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

RAP3 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: CENTRE NATIONAL D'ETUDES SPATIALES

Owner name: L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: FRENCH

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 602020013764

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: NL

Ref legal event code: FP

REG Reference to a national code

Ref country code: LT

Ref legal event code: MG9D

REG Reference to a national code

Ref country code: AT

Ref legal event code: MK05

Ref document number: 1587571

Country of ref document: AT

Kind code of ref document: T

Effective date: 20230712

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231013

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231112

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: RS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: PT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231113

Ref country code: NO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231012

Ref country code: LV

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: LT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: IS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231112

Ref country code: HR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: GR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231013

Ref country code: FI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: AT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: PL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SM

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: RO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: EE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: DK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: CZ

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

Ref country code: SK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230712

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: NL

Payment date: 20240415

Year of fee payment: 5